范思奇，李 剛

基于觸須算法的自動平行泊車規(guī)劃

范思奇，李 剛

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

在感知到目標(biāo)停車位之后，對自動平行泊車的路徑規(guī)劃問題進(jìn)行設(shè)計(jì)，將自動平行泊車的路徑簡化為兩個階段（即兩段轉(zhuǎn)向角度不同的弧形），為提高車輛起泊位置的位姿適應(yīng)性，采用觸須算法對自動平行泊車路徑的第一段進(jìn)行規(guī)劃，選取能夠與第二段路徑具備相切點(diǎn)的觸須，最終確定自動平行泊車路徑兩個階段的轉(zhuǎn)彎半徑。

觸須算法；自動平行泊車；路徑規(guī)劃；分布式驅(qū)動電動車

自動泊車技術(shù)的研究重點(diǎn)包括停車位環(huán)境信息感知、泊車路徑規(guī)劃以及路線跟蹤控制，其中泊車路徑規(guī)劃算法即為車輛尋找一條從起泊點(diǎn)到車位內(nèi)終點(diǎn)的最優(yōu)化路線。這條路徑的設(shè)計(jì)應(yīng)該按照以下思路：（1）泊車路徑曲率連續(xù)光滑，減少反復(fù)改變方向盤轉(zhuǎn)角導(dǎo)致的控制精度下降；（2）泊車路徑的安全距離范圍內(nèi)不能夠與其他物體發(fā)生碰撞；（3）泊車路徑規(guī)劃算法對車輛在起泊點(diǎn)的位姿適應(yīng)性強(qiáng)。泊車路徑規(guī)劃算法的性能直接影響了對路徑跟蹤控制時候智能車輛能否一次性準(zhǔn)確停入目標(biāo)停車位[1]。

侯忠生等[2]利用泊車系統(tǒng)的前輪轉(zhuǎn)角輸入數(shù)據(jù)和車身角利用無模型自適應(yīng)控制算法輸出控制數(shù)據(jù)。李紅等[3]以B樣條路徑曲線控制點(diǎn)為變量,以泊車終點(diǎn)處車身方位角最小化為目標(biāo)，建立了含有多個非線性約束的泊車路徑函數(shù)以實(shí)現(xiàn)對泊車路徑進(jìn)行規(guī)劃。李占江[4]利用模糊控制算法對車輛自動泊車進(jìn)行控制。牛潤新等[5]采用修正的觸須算法可以較好實(shí)現(xiàn)車輛自主駕駛和合理避障。Reeds J A和Shepp L A[6]提出采用圓弧和直線連接而成的路徑，在車輛泊車過程中，汽車可在前進(jìn)后退之間切換，且其提出了得到最短路徑規(guī)劃的方法。Laumond J P等[7]對泊車路徑進(jìn)行理想分析，不考慮碰撞約束等條件，之后根據(jù)此路徑設(shè)計(jì)一條最近似重合的路徑以近最大可能使車輛避免受位姿和環(huán)境的影響。

本文的主要內(nèi)容為在感知到目標(biāo)停車位之后，對自動平行泊車的路徑規(guī)劃問題進(jìn)行設(shè)計(jì)，將自動平行泊車的路徑簡化為2個階段（即2段轉(zhuǎn)向角度不同的弧形），為提高車輛起泊位置的位姿適應(yīng)性，采用觸須算法對自動平行泊車路徑的第一段進(jìn)行規(guī)劃，選取能夠與第二段路徑具備相切點(diǎn)的觸須，最終確定自動平行泊車路徑兩個階段的轉(zhuǎn)彎半徑。本研究提高了自動泊車路徑規(guī)劃的規(guī)劃效率，對自動平行泊車技術(shù)的路徑規(guī)劃方法具有一定的借鑒作用。

1 自動平行泊車

自動泊車系統(tǒng)包括環(huán)境感知模塊、決策規(guī)劃模塊以及跟蹤控制模塊，其中環(huán)境感知模塊利用環(huán)視相機(jī)融合獲得全景鳥瞰影像，圖像處理系統(tǒng)識別停車位相對車輛的實(shí)際坐標(biāo)信息，決策規(guī)劃模塊根據(jù)測得的停車位位置數(shù)據(jù)生成最優(yōu)的泊車路徑，跟蹤控制模塊根據(jù)泊車路徑對車輛進(jìn)行橫縱向控制。

自動平行泊車系統(tǒng)工作流程如圖1所示。駕駛員將車輛停放在平行于待入車位的區(qū)域，啟動自動泊車功能后，由計(jì)算單元接管車輛控制權(quán)。在泊車啟動前，通過感知模塊識別停車位2個臨近角點(diǎn)相對車輛的位置與角度，通過預(yù)先計(jì)算出的觸須路徑庫選取最優(yōu)路徑，與車位內(nèi)路徑組成整個泊車路徑。同時設(shè)計(jì)了觸須通過性檢測模塊，使車輛在泊車過程中不會碰觸其他車位或車輛。

圖1 基于觸須算法的自動泊車流程

自動泊車技術(shù)的發(fā)展越來越成熟，同時在實(shí)現(xiàn)功能的前提下對智能化、舒適性加以優(yōu)化。自動泊車系統(tǒng)大大提高了駕駛員的安全性和便捷性，尤其是對一些新手駕駛員或泊車?yán)щy的駕駛員而言提高了泊車的成功率并降低了事故率。

2 觸須算法

“觸須”算法是一個形象的比喻詞，昆蟲在前行的時候通過觸須探測前進(jìn)方向上面的障礙物以及可通行路線。觸須算法是無人駕駛智能車輛規(guī)劃中的智能車輛用“觸須”來描述車輛在特定車速和特定方向盤轉(zhuǎn)角下的行車軌跡，當(dāng)前方遇到障礙物的時候可以判斷哪條觸須可以通行，屬于智能車輛常用的局部路徑規(guī)劃的一種方法[8]。

觸須算法通常將車輛從0到最高車速之間的速度范圍內(nèi)等差選取16個目標(biāo)車速值，并將目標(biāo)車速根據(jù)不同的方向盤轉(zhuǎn)角設(shè)定81條觸須[9]，即智能車輛在某一車速下有81個可通行路徑供系統(tǒng)進(jìn)行選擇，選擇條件包括障礙物位置等信息、實(shí)際道路信息等等[10]，生成觸須如圖2所示。觸須算法相比其他算法實(shí)現(xiàn)相對簡單，在智能車輛起初標(biāo)定時就對每一車速下不同前輪轉(zhuǎn)角的路徑進(jìn)行標(biāo)定，在實(shí)際工作時直接根據(jù)目標(biāo)路徑查表獲得對應(yīng)的前輪轉(zhuǎn)角，提高了實(shí)現(xiàn)難度以及實(shí)時性。

圖2 觸須路徑

觸須算法中觸須的設(shè)計(jì)基于二自由度車輛模型，通過視覺感知獲取車輛相對于停車位位置后，設(shè)計(jì)泊車車速為5 km/h，前輪轉(zhuǎn)角取值區(qū)間在[-π/2, π/2]，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳統(tǒng)比為9.5∶1，在以上條件下生成81條觸須。第組第條觸須的轉(zhuǎn)彎半徑r的計(jì)算公式（1）如下[11]：

式中：2是觸須弧度修正參數(shù)，數(shù)值為1.2；是觸須的序號；R是每條觸須的標(biāo)準(zhǔn)圓弧半徑；是觸須的長度，為同組觸須的最大張角，數(shù)值為1.9，是系統(tǒng)修正參數(shù)，參數(shù)計(jì)算方法為公式（2）。

算法獲得的每一條觸須都是一段可行路徑，所有觸須的出發(fā)點(diǎn)都是車輛后軸中心處，且圓心都在與車輛前進(jìn)方向垂直且通過車輛質(zhì)心的直線上，相當(dāng)于每段觸須都是從車輛后軸中心出發(fā)的。

3 基于觸須算法的自動平行泊車路徑規(guī)劃

目前自動平行泊車路徑規(guī)劃的主要方法以基于幾何方法的雙圓弧規(guī)劃法為主，但這種方法對起始車身姿態(tài)要求比較高，場景適用性較低。因此本文提出將自動平行泊車算法中融入觸須算法解決雙圓弧規(guī)劃法的不足，把自動平行泊車的路徑規(guī)劃問題分解成兩段，分為車位外行駛段以及車位內(nèi)行駛段，其中車位外行駛段的規(guī)劃采用基于觸須算法進(jìn)行規(guī)劃，車位內(nèi)行駛段以最小轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行規(guī)劃，規(guī)劃方法如圖3所示。

圖3 基于觸須算法的自動泊車路徑規(guī)劃

在系統(tǒng)中預(yù)置一套觸須軌跡的每個軌跡點(diǎn)的位置坐標(biāo)以及其航向，減少了泊車程序的計(jì)算量并提高響應(yīng)速度。自泊車功能啟動開始，基于Radon變化對環(huán)視相機(jī)采集的圖像進(jìn)行直線識別，獲得2個角點(diǎn)P0、P1以及相對于車輛當(dāng)前位置的坐標(biāo)，通過國標(biāo)推算出整個停車位的坐標(biāo)信息，即車輛最終泊車停止位置。將泊車路徑劃分為兩步，車輛轉(zhuǎn)向方向相反，規(guī)劃處兩端連接的圓弧狀路徑。

根據(jù)停車位與車輛尺寸關(guān)系在b段泊車路徑起點(diǎn)B點(diǎn)周圍設(shè)置一個圓形區(qū)域，如圖3中B點(diǎn)處黃色圓形，此區(qū)域?yàn)橛|須可否通行的判斷區(qū)域。通過提前在系統(tǒng)中設(shè)置的81條觸須選取能夠通過b泊車路徑起點(diǎn)處判斷區(qū)域，且其航向姿態(tài)與b段泊車路徑起點(diǎn)B的航向相等，判斷此觸須為a段泊車路徑，即ab段。即a段路徑的終點(diǎn)與b段路徑的起點(diǎn)需要滿足一下公式（3）與公式（4）的條件

式中：（1,1）、1和（2,2）、2和分別為a段路徑的終點(diǎn)坐標(biāo)和b段路徑的起點(diǎn)坐標(biāo)，以及兩點(diǎn)相對于全局坐標(biāo)系下的航向角。

3.1 可通行區(qū)域碰撞約束

在車輛的泊車路徑規(guī)劃中，一般都將車輛的后軸中心點(diǎn)作為車輛坐標(biāo)系的原點(diǎn)，規(guī)劃的泊車路徑即后軸中心點(diǎn)的運(yùn)動軌跡。但這種方法沒有考慮到車輛的寬度和長度以及車輛對規(guī)劃路徑的跟蹤誤差，很難避免極限狀態(tài)下車輛邊界與障礙物剮蹭。因此需要對車輛的可通行區(qū)域進(jìn)行約束，如圖4。

圖4 車輛可通行約束極限碰撞點(diǎn)

在根據(jù)車輛位置獲得可泊車觸須后，對可通行的幾條觸須進(jìn)行障礙物以及車位邊線的探測，以確定最終可泊車的觸須，從而進(jìn)行車輛泊車路徑跟蹤控制。觸須的可通行區(qū)域是指，對于預(yù)選觸須k在地圖中，以該觸須為中心，給觸須一個寬度，向兩側(cè)擴(kuò)展d的范圍，此區(qū)域被稱為可通行區(qū)域。若在此區(qū)域內(nèi)，沒有其他停車位的區(qū)域則判斷該觸須可行。其中d根據(jù)車輛的長度、寬度以及跟蹤控制精度3個因素進(jìn)行控制。

3.2 仿真驗(yàn)證

在Matlab中搭建虛擬泊車場景，對基于觸須算法的規(guī)劃路徑進(jìn)行仿[12]，可以一次性進(jìn)入1.5倍車長的停車位。

圖5中，已知車輛相對于停車位的起始位置已知，通過對終點(diǎn)位置反向以最小轉(zhuǎn)彎半徑獲得第二段路徑圓弧，根據(jù)觸須算法的觸須庫尋找最優(yōu)觸須，連接成為泊車路徑。從圖中可以看出，本文提出的基于觸須算法的自動平行泊車路徑規(guī)劃算法能夠一次且準(zhǔn)確的進(jìn)行泊車，而不需要揉庫。

圖5 路徑規(guī)劃仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文主要對自動平行泊車的路徑規(guī)劃方法進(jìn)行研究，并結(jié)合觸須算法進(jìn)行優(yōu)化。首先，介紹了在自動駕駛領(lǐng)域中用于局部規(guī)劃的觸須算法原理與應(yīng)用。其次，應(yīng)用觸須算法對于傳統(tǒng)自動平行泊車的雙圓弧法進(jìn)行優(yōu)化，利用觸須算法對自動平行泊車的第一段圓弧規(guī)劃，解決的傳統(tǒng)雙圓弧法中對車輛自動泊車起始位置要求高的問題。再次，對自動泊車路徑規(guī)劃后的可通行路徑利用碰撞約束進(jìn)行篩選，降低自動泊車過程中出現(xiàn)碰撞危險(xiǎn)的問題，并解決了當(dāng)出現(xiàn)多條可選路徑后的最優(yōu)化問題。最后，利用Matlab搭建的自動平行泊車場景對算法進(jìn)行驗(yàn)證，通過實(shí)驗(yàn)證明該方法可使常規(guī)車輛一次性停入1.5倍車長的停車位。

[1] 郭孔輝, 姜輝, 張建偉, 等. 基于模糊邏輯的自動平行泊車轉(zhuǎn)向控制器[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào): 工學(xué)版, 2009, 39(S2): 236-240.

[2] 侯忠生, 董航瑞, 金尚泰. 基于坐標(biāo)補(bǔ)償?shù)淖詣硬窜囅到y(tǒng)無模型自適應(yīng)控制[J]. 自動化學(xué)報(bào), 2015, 41(4): 823-831.

[3] 李紅, 王文軍, 李克強(qiáng). 基于B樣條理論的平行泊車路徑規(guī)劃[J]. 中國公路學(xué)報(bào), 2016, 29(9): 143-151.

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[5] 牛潤新, 夏靜霆, 汪小華, 等. 智能車輛路徑巡航和自主避障的觸須算法[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào), 2010, 10(6): 53-58.

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[8] 張明環(huán), 張科. 智能車避障觸須算法中的障礙物探測研究[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 30(5): 763-767.

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[10] Sariff N, Buniyamin N. An overview of autonomous mobile robot path planning algorithms[A]. In: 4th Student Conference on Research and Development[C], 2006: 183-188.

[11] Thrun S. Stanley: The robot that won the darpa grand challenge: research articles[J]. Journal Robotics System, 2006, 23(9): 661-692.

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Automatic Parallel Parking Planning Based on Whisker Algorithm

FAN Si-qi, LI Gang

（School of Automobile and Traffic Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China）

After perceiving the target parking space, the path of automatic parallel parking is designed. It’s simplified into two stages (that is, two arcs with different steering angles). In order to improve the adaptability of the vehicle’s parking position, the first stage of automatic parallel parking path is adopted by the whisker algorithm plan, the tentacles selected can have a tangent point with the second section of the path, and finally the turning radius of the two-stage automatic parallel parking path are determined.

whisker algorithm; automatic parallel parking; path planning; distributed drive electric vehicle

U469.72

A

1674-3261(2021)02-0095-04

10.15916/j.issn1674-3261.2021.02.006

2020-06-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51675257）

范思奇(1995-)，男，遼寧遼陽人，碩士生。

李 剛(1979-)，男，遼寧朝陽人，教授，博士。

責(zé)任編校：劉亞兵